TẠO ẢNH BẰNG TIA X

1. Dẫn nhập2. Tia X chẩn đoán: bóng tia X

của cơ thể3. Tương tác của tia X với cơ thể4. Tạo ảnh tia X5. Chất cản quang6. Tạo tia X7. Đầu đo tia X8. Chụp nhũ ảnh9. X quang số hóa10. CT11. Ứng dụng

1. Dẫn nhập:

• Lịch sử hơn một thế kỷ (từ 1895) năm• Cái nhìn thoáng qua rẻ và tiện dụng• Phổ biến nhất:

Mỹ: 80% dân số chụp ít nhất một phim X quang hàng năm

• CT + MRI có sức mạnh lớn (2 giải Nobel sinh lý học hoặc y học 1979 và 2003)

Allan M. Cormack (trên) và Godfrey N. Hounsfield (dưới) đoạt giải Nobel 1979 do phát triển kỹ thuật CT

2. Tia X chẩn đoán: bóng tia X của cơ thể

* Bản chất của tạo ảnh X quang:Bóng của tia X

Vùng sáng: ít tia X tới hơnVùng tối: nhiều tia X tới hơn

Các quá trình vật lý khi tia X đi vào cơ thể:

• Phản xạ• Tán xạ• Hấp thụ• Huỳnh quang• Truyền qua

Ảnh tia X dựa trên sự truyền qua

Huỳnh quang tia X dựa trên sự huỳnh quang

* Phân biệt tia X và tia γ trong vật lý y học:

• Tia X: photon phổ liên tục từ bóng phát tia X• Tia γ: photon năng lượng đặc trưng từ các đồng vị phóng xạ

3. Tương tác của tia X với cơ thể:

• Ba hiệu ứng:Quang điện (năng lượng < 100 keV, chủ yếu < 25 keV)Compton (năng lượng > 25 keV)Tạo cặp (năng lượng > 2 MeV)

Hiệu ứng quang điện:

• Photon tới tương tác với điện tử lớp trong:Tia X bị hấp thụ hoàn toàn, còn điện tử được giải phóng,trở thành quang điện tử, trước khi bị tái hấp thụ

• Quỹ đạo trống được tái lấp đầy nhờ bắt điện tử. Năng lượng dưđược giải phóng dưới dạng tia X đặc trưng.

• Góp phần tạo ảnh tia X

Hiệu ứng phụ thuộc vào nguyên tố hóa học trong cơ thể

• Xác suất hiệu ứng tỷ lệ với Z3, trong đó Z là nguyên tử số (số proton trong nhân)

• Trong cơ thể, các nguyên tố có Z thấp:carbon (6), ni-tơ (7), oxy (8), hydro (1), nước (7,42), cơ (7,46), mỡ (5,92) Mô mềm (7,4)Xương (11,6 - 13,8) vì 10% là canxi (20)

• Chì (82) hấp thụ tia X rất mạnh, nên thường dùng để che chắn

Sự hấp thụ trong xương lớn hơn mô mềm tới (12,7/7,4)3 = 5 lần

• Khi E tăng, xác suất hiệu ứng quang điện giảm. Khi E tia X trùng với năng lượng giải phóng điện tử, nó được gọi là giới hạn hấp thụ. Giới hạn hấp thụ do Z qui định

• Người chụp X quang cần chọn năng lượng tia X trùng với giới hạn hấp thụ của đầu thu hoặc chất cản quang (để giảm tia X đặc trưng và hiệu ứng Compton)

Hiệu ứng Compton:

• Khi E tăng (> 25 keV), hiệu ứng Compton trở nên quan trọng.

• Photon giải phóng điện tử lớp ngoài và bị tán xạ khỏi hướng ban đầu (tán xạ).

• Nguyên tử bị ion hóa, tạo điện tử tự do.

• Tia X tán xạ có thể tiếp tục gây hiệu ứng Compton với các nguyên tử khác.

• Chiếm 50-90% lượng tia X tới đầu đo.

• Không tạo ảnh. Làm giảm độ tương phản. Cần ngăn chặn!

Hiệu ứng tạo cặp:

• Khi E > 2m0c2: tia X tương tácvới trường hạt nhân và tạo cặp (e+, e-).

• E > 2 MeV

• Cặp (e+, e-) có thể gây các hiệu ứng thứ cấp

• Không góp phần tạo ảnh tia X

Sự suy giảm tia X:

• Do tương tác với vật chất, tia X tắt dần

• Quy luật: I(x) = I0 exp(-µx)

I(x) : chùm tia X truyền quaI0 : chùm tia X tớiµ : hệ số tắt dầnx : kích thước mẫu

• Trong cơ thể, các lớp tổ chức có hệ số tắt dần khác nhau:I(x) = I0 exp[-(µ1x1 + µ2x2 + µ3x3 + …)]

4. Các yếu tố cơ bản để tạo ảnh tia X:

• Ba yếu tố căn bản quyết định chất lượng ảnh: độ tương phảnđộ phân giải (không gian)độ nhòe (ồn)

• Các yếu tố bổ sung:sự hấp thụ (hiệu ứng quang điện)sự tán xạ (hiệu ứng Compton)

chất lượng ảnhliều hấp thụ (nguy cơ)

• Sự cân bằng tối ưu: liều thấp & tia X truyền qua đủ để tạo ảnh tốt

Sự tương phản:

• Sự khác nhau tính theo % giữa các tín hiệu tia X tại 2 vị trí xét:

C = (I1 - I2)/I1 = 1 - exp[-(µ2 - µ1)x2]

• Các yếu tố ảnh hưởng:

Vai trò của năng lượng tia X: Năng lượng lớn: tia X truyền qua tốt hơn

• Lớp tổ chức dày (lồng ngực): E cần đủ lớn• E tối ưu:

E nhỏ quá: tia X bị hấp thụ hoặc tán xạ trước khi tới đầu đo (chỉ tăngliều gây hại)E lớn quá: h/ư Compton chiếm ưu thế: tia X bị tán xạ, không tạo ảnh mà làm giảm độ tương phản (tán xạgóp 50-90% lượng tia X tới đầu đo)

• Lớp tổ chức mỏng (nhũ ảnh): E nhỏđộ tương phản tốt (ít tán xạ)liều hấp thụ thấp

Giảm tia tán xạ?

• Chọn mức E vừa đủ.

• Lớp không khí giữa bệnh nhân và đầu đo

• Lưới chì giữa bệnh nhân và đầu đo

Độ nhòe (ồn):

• Số lượng tia X tới đầu đo quyết định ồn:

Tr/bình ± Độ lệch chuẩn

lượng tia X lớn: ảnh ít nhòe

• Tăng lượng tia tới đầu đo:Tăng cường độ chùm tia (tăng mA) Tăng thời gian chiếu tiaDùng đầu đo chất lượng tốt

Hai giải pháp trước làm tăng liều hấp thụ!

Độ phân giải không gian:

• K/cách nhỏ nhất giữa 2 điểm còn phân biệt được

• T/chất tia X và đầu đo, hình học dùng tạo ảnh quyết định độ phân giải (cử động!)

• Thông thường 1 mm; có thể 0,1 mm

5. Chất cản quang:

• Để tăng độ tương phản

• Barium (Z=56) và Iodine (Z=53)Không độcHấp thụ mạnhGiới hạn hấp thụ 37,4 và 33,2 keV(vùng tia X chẩn đoán thông dụng)

• Barium: tiêu hóa• Iodine: tiết niệu

tuần hoàn

6. Tạo tia X:

• Bóng phát tia X:Cực âm: phát điện tử tự doĐiện tử gia tốc, đập vào cực dương, tạo ra tia X

• Tia X hãm:e bị hãm trong trường hạt nhân, mất năng lượng và lệch hướng.phần E dư phát xạ tia X (hãm)

* Tia X đặc trưng:

Electron tới va chạm với e lớp trong, giải phóng nó. E lớp ngoài sẽ nhảy vào chỗ trống và phát tia X (đặc trưng)

• Đặc trưng cho loại nguyên tử cấu trúc nên anode

Cường độ và điện thế?

• Cường độ (mA): Số lượng e, do đó số lượng photon tia X

• Điện thế (kV):năng lượng của một photontia X (keV)

Anode (cực dương):

• Tiêu chí:tạo tia X có năng lượng thích hợpnhiệt độ nóng chảy caotản nhiệt tốt

• Anode quay

• Tungsten: năng lượng lớn chụp lồng ngực

• Molybdenum: năng lượng nhỏ (giới hạn hấp thụ 20 keV)chụp chi trên; nhũ ảnh

7. Đầu đo:

• Phim

• Màn huỳnh quang

• Màn hình

8. Chụp nhũ ảnh:

• Tia X năng lượng thấp

• Đè nhũ:Giảm liều tia X (giảm x)Giảm cử động (Tăng độ phân giải, do không nhòe vì do cử động)Các lớp mô ít chồng lên nhauÍt tạo sự tán xạ do dùng mức E nhỏ (tăng độ tương phản)

9. X quang số hóa xóa nền trong chụp mạch:

• Do sự hấp thụ khá tương đồng giữa các mô mềm nên thông tingiải phẫu có thể chìm trong nền.

• Dùng chất màu tạo tương phản khi chụp mạch, nhưng nền vẫn rõ

• Dùng kỹ thuật máy tính: số hóa trừChụp mạch trước và sau khi tiêm chíchSố hóa ảnhẢnh sau - ảnh trước: xóa nền.

10. X quang cắt lớp điện toán (CT):

• X quang thông thường: ảnh 2 chiều

• CT: ảnh 3 chiều

• Bóng phát và đầu thu quay tròn

* Máy CT biểu diễn sự hấp thụ tia X bằng số CT

Số CT = [(µmô - µnước)/µmô ] x 1000

[Số CT] = Hounsfield

Nước: số CT = 0Mỡ: số CT < 0Còn lại:số CT > 0

Nhược điểm của CT: vẫn là phương pháp tạo ảnh bằng tia X

• Suy cho cùng, ảnh CT cũng chỉ là bản đồ hệ số tắt hoặc mật độ.Nó là phép đo giải phẫu không đủ nhạy trong một số trường hợp

• CT truyền thống bị hình học quét giới hạnViệc tạo hình theo các mặt cắt khácdo máy tính thực hiện với độ phân giải thấp hơn